زمان چرخه: علم در مقابل قوانین سرانگشتی (بخش سوم)

 در شماره گذشته با استفاده از روش تجزیه و تحلیل مکانیکی پویا (DMA) تغییر خواص بسپارهای نیمه بلوری به هنگام سرمایش بررسی شد. اما تنها مواد با دمای گذار شیشه ­ای (T_g) بیش از دمای اتاق بررسی شدند. در این مقاله، رفتار مواد نیمه بلوری که به هنگام سرمایش به دمای گذار شیشه­ ای خود نمی­رسند، بررسی شده است. سه دسته بسیار مهم مواد شامل PE، PP، POM (که به عنوان استال اشاره شده است) می­شود.

نتایج گزارش شده در شماره گذشته نشان داد که نایلون 6 چگونه به هنگام سرمایش بلورینه می­شود. این نتایج، با استفاده از گرماسنج روبشی تفاضلی (DSC) به­ دست آمد و به عنوان ورودی داده­ها در نرم ­افزار شبیه­ سازی و در نتیجه پیش­بینی زمان چرخه استفاده شدند. شکل 1 منحنی سرمایش DSC را برای PP نشان می­دهد. این نوع خاص PP بسیار هسته­ زایی شده است، به­ طوری که در دمای بیش از 130 درجه سانتی­گراد اوج نشان می­دهد. این دمای اوج می­تواند تا 30 درجه سانتی­گراد در انواع مختلف PP تغییر کند، اما به ندرت از مقدار نشان داده شده در اینجا فراتر می­رود.

[EasyDNNGallery|24544|Width|800|Height|800|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 1: منحنی سرمایش و گرمایش DSC برای PP

به­طور کلی فرض می­شود هنگامی­که دما به خط پایه در سمت چپ بلورینگی مجدد گرمازا برسد، ماده جامد شده و می­تواند تخلیه شود. برای این مواد، این اتفاق در حدود 120 درجه سانتی­گراد می­ افتد. شکل 2 ارتباط بین مدول کشسان و دما را نشان می­دهد. مدول این ماده در دمای 120 درجه سانتی­گراد در حدود 200 مگاپاسکال است. در دمای اتاق، این مقدار 10 برابر بیشتر می­شود. افزایش مدول در این نوع PP و در تمام انواع PP، تدریجی است. بنابراین دمای واقعی که در آن قطعه می­تواند تخلیه شود، تا حدودی نامعلوم است. در دستورالعمل اصلی این بحث، دمای وارفتگی گرمایی، طبق روش ASTM در psi 66، 88 درجه سانتی­گراد منتشر شد. اما در روش ISO این مقدار 79 درجه سانتی­گراد گزارش شده است و اگر آزمون درpsi  264 انجام شود، نتیجه 50 درجه سانتی­گراد است. کدام یک باید استفاده شود؟

[EasyDNNGallery|24545|Width|800|Height|800|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 2: مدول کشسان برحسب دما برای PP (از طریق DMA)

اگر به قاعده­ ی سرانگشتی برگردیم، قطعه می­تواند در 80 درصد از دمای HDT تخلیه شود، اگر دمای 50 درجه سانتی­گراد انتخاب شود و اهمیت استفاده از دمای مطلق (کلوین) نادیده گرفته شود، پاسخ 40 درجه سانتی­گراد است. برای افرادی که قطعات PP را قالب­گیری می­کنند، احتمالا این مقدار به نظر عدد معقولی است. مطمئنا، اگر از مقیاس مطلق استفاده شود، به مقداری کمتر از دمای اتاق می­رسیم. سوالی که مطرح می­شود این است که چگونه می­توان دمای تخلیه را بدون داشتن هیچ اطلاعاتی در نرم ­افزار شبیه ­سازی که سفتی مواد را به دما مربوط می­کند، تعیین کرد.

خبر خوب این است که هر سه خانواده PE، PP و POM در دمایی بین دمای محیط و دمای شروع ذوب بلور همان رابطه کلی بین مدول و دما را دنبال می­کنند. این رفتار می­تواند به صورت دو شیب متفاوت دیده شود و در هر بخش روند تقریبا خطی است. شکل 3 نمودارهای مدول را برحسب دما برای سه HDPE مختلف و شکل 4 همان داده ­ها را برای سه نوع مختلف هم­ بسپار POM نشان می­دهد. توجه داشته باشید که در نمودار اخیر، دمای گذار شیشه ­ای با تغییر سریع در مدول همراه است. اما در دمای 75- درجه سانتی­گراد رخ می­دهد، دمایی که هرگز در یک کارخانه قالب­گیری دیده نمی­شود.

[EasyDNNGallery|24546|Width|800|Height|800|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 3: مدول کشسان برای انواع HDPE

[EasyDNNGallery|24547|Width|800|Height|800|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 4: مقایسه مدول کشسان برای سه نوع استال

نبود ترازه (plateau) در این مواد، مانند آن­چه در نایلون دیده شد، پیش­بینی زمان چرخه را به مراتب پیچیده ­تر می­سازد. علاوه ­بر این، درجه بلورینگی این سه خانواده بیشتر از سایر بسپارهای نیمه بلوری است.

این بدان معنی است هنگامی­که آن­ها بلور می­شوند، مقدار انرژی قابل توجهی به صورت گرما به درون سامانه آزاد می­کنند. این گرمای اضافی باید از طریق سرمایش گرفته شود تا افزایش مدول در مراحل اولیه انجماد آهسته شود.

اگر این مفهوم را دشوار درمی­یابید، دماسنجی در نزدیکی حفره قالب وصل کنید. دمای آب را تنظیم کنید و ساخت قطعات با مواد اَریخت (آمورف) مثل پلی­استایرن را شروع کنید. هنگامی­که ماده برای هر تزریق وارد قالب می­شود، افزایش دمای کمی مشاهده می­شود. زمانی­که قطعه خارج می­شود، دما به نقطه اولیه خود بازمی­گردد. سپس مواد را به پلی ­اتیلن یا پلی ­پروپیلن تغییر دهید، اما دمای مذاب را تغییر ندهید. چنان­چه قالب با ماده نیمه ­بلوری پر شود، افزایش دمای بسیار بیشتری مشاهده خواهید کرد. این افزایش دما به علت گرمازایی ناشی از بلورینگی است که در منحنی DSC شکل 1 نشان داده شده است.

قبل از این­که این بحث تمام شود، یک دسته از مواد وجود دارد که نیاز به بررسی دارند و آن­، لاستیک ­ها است. موادی مانند TPE، TPU و PVC نرم که در دمای بیش از T_g خود ب ه­کار می­روند و بسیاری از این مواد در دمای اتاق و دماهای بیشتر، سفتی بسیار کمی دارند. در نتیجه، نمی­توان دمای وارفتگی گرمایی را که می­تواند برای تحقق قاعده سرانگشتی استفاده شود، اندازه­ گیری کرد. اگر این خواص اندازه­ گیری شود، می­توان دریافت در روشی که امروزه HDT تعریف می­شود دما باید کمتر از دمای اتاق باشد. با این حال، بدون استفاده از شرایط سرمازایی (cryogenic) در قالب­ها، هر روز قطعاتی از این مواد تولید می­شوند.

در این سه شماره، قوانین حاکم بر تخمین زمان چرخه، یکی از مهم­ترین جنبه­ های تعیین هزینه قطعه و سودآوری برای فرایندکار، مرور شد. نشان داده شد که افزایش مدول به هنگام سرمایش ماده در تعیین زمان چرخه بسیار مهم است و رفتار انواع بسپارهای صلب و نیمه صلب بررسی شد. آخرین طبقه ­بندی برای بررسی، لاستیک ­ها هستند.

ماده­ای به ­عنوان لاستیک استفاده می­شود که در دمای اتاق بالای دمای گذار شیشه­ ای (T_g) خود باشد. علاوه­ بر این، لاستیک­ها نیز همانند بسپارهای اریخت رایج، نمی­توانند تمام خواص تحت بار (load-bearing) را در بیش از T_g از دست بدهند. اما وقتی­که در بیش از دمای T_g خود قرار دارند مدول به ­طور قابل توجهی کم­تر از بسپارهای صلب نیمه بلوری است.

مدول اکثر لاستیک­ها در دمای اتاق 1 تا 50 مگاپاسکال (psi 7250-145) است، مگر این­که به­واسطه ساختار بلوری مقدار سختی زیادی داشته باشند، همانند لاستیک­های پلی­استر یا پلی­یورتان­های گرمانرم. در این موارد، مدول در دمای اتاق اغلب بیشتر از محدوده 100 تا 500 مگاپاسکال (15 تا kpsi 75) خواهد بود. اما تقریبا در تمام موارد، مدول به اندازه کافی کم است، به ­طوری­که اگر دمای وارفتگی گرمایی اندازه­گیری شود، مقدار آن کمتر از دمای اتاق خواهد شد. به همین دلیل است که به ندرت HDT (یا DTUL) در داده­برگ­ها برای لاستیکها و حتی برخی از گرمانرم­های منعطف (مانند پلی ­اتیلن) گزارش می­شود. این بدان معنی است که اگر قاعده HDT را که به نوعی عامل مهمی در تخمین زمان چرخه است، به­ کار بریم نیاز است برای دستیابی به شرایط قابل تخلیه، با قالب­های بسیار سرد کار کنیم.

واضح است که ما این کار را انجام نمی­دهیم. اکثر قالب­های مواد لاستیکی دمایی بیش از دمای محیط دارند. کائوچوی سیلیکون مایع (LSR) (یک ماده بسیار نرم با مدول حدود 15-5 مگاپاسکال (psi 2175-725) در دمای اتاق) به منظور اطمینان از ایجاد اتصالات عرضی در قالب­های بسیار داغ پخت می­شود. با این حال، قطعات بدون رسیدن به شرایط سرمازایی، در زمان معقولی تخلیه می­شوند.

(ادامه دارد …)